酿酒酵母的"组学"技术研究进展及其在工程菌株构建中的应用

酿酒酵母是真核模式生物,已被广泛用于 "组学"水平的研究。"组学"技术主要由基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学构成。综述了酵母菌"组学"的研究进展,并论述了酵母菌"组学"技术在酵母菌菌株改造中的应用,包括酒类及生物燃料乙醇工业生产菌株的基因工程改造等。     

基于木糖异构酶途径的木糖发酵酿酒酵母菌株构建研究进展

通过异源表达木糖代谢途径,构建能高效发酵木糖产乙醇的工业酿酒酵母菌株,对木质纤维素燃料乙醇的开发具有重要意义。与氧化还原途径相比,木糖异构化途径的表达不会因辅酶不平衡而造成中间产物木糖醇的累积,因此被视为是理想的木糖代谢途径。在木糖异构途径的表达过程中,选择工业酿酒酵母作为出发菌株进行木糖异构酶途径的表达具有突出优势。同时,提高木糖异构酶基因xyl A的表达效率对木糖异构菌株的构建至关重要。另外,在对XI菌株进行代谢工程改造时,GRE3的敲除、木糖转运的提升、木糖代谢途径的定向改造等均能有效改善菌株发酵木糖产乙醇的能力。除此之外,进化工程也是提升XI菌株木糖发酵效率的重要方法之一。而在相关机理阐释和改造策略的制定过程中,组学技术已显示出强大的功能。综述了近年来木糖异构酶途径在酿酒酵母中的表达研究进展,同时还对相关研究存在的问题进行了分析。     

纤维素酶在酿酒酵母中的表达研究

统合生物加工过程（Consolidated bioprocessing,CBP）具有应用于纤维素乙醇生产的潜力,而该技术的关键是构建能有效降解纤维素的工程菌株。酿酒酵母是传统的乙醇发酵菌株,作为CBP宿主菌株具有很多优势,因此在酿酒酵母中表达纤维素酶引起研究者的普遍关注。综述了纤维素酶基因在酿酒酵母中表达的影响因素,包括基因表达盒表达元件（启动子、信号肽和终止子等）、纤维素酶基因拷贝数及存在形式以及纤维素酶基因来源等,并对一种和多种纤维素酶基因在酿酒酵母中的表达及构建得到的CBP菌株研究进展做了简要介绍。     

表面展示表达果胶酯酶的重组酿酒酵母构建及乙醇发酵

【目的】以淀粉为原料的乙醇发酵工艺仍然是当前燃料乙醇的主要生产方式。然而,一些原料中含有的果胶物质不仅降低了乙醇产率,而且会导致醪液粘度增大,从而会进一步影响传质和传热、增加设备负担等。构建能够自主降解果胶质的重组酿酒酵母并应用于燃料乙醇生产是值得探索的领域。【方法】论文将来源于黑曲霉的果胶酯酶基因克隆于α因子信号肽下游并通过酵母α-凝集素C-端蛋白的介导构建了在细胞表面锚定表达果胶酯酶的重组酿酒酵母PE。【结果】重组酵母的果胶酯酶表达水平达到2.6 U/g(菌体湿重),并进一步鉴定了重组果胶酯酶性质。以甘薯粉为原料的同步糖化发酵实验中,重组酵母PE的乙醇浓度和乙醇转化率分别达到95 g/L和88.1%,与出发菌株相比提高了2.2%。更重要的是,表面展示果胶酯酶能够显著降低发酵过程中的发酵液粘度。【结论】通过在工业酿酒酵母表面展示表达果胶酯酶不仅能够提高糖化酶等的作用效果和酿酒酵母的代谢能力,而且能够显著降低乙醇生产过程中发酵液的粘度,将对工业规模乙醇生产在降低设备负担、节约能耗方面具有一定的潜在价值。     

酿酒酵母 L-阿拉伯糖转化乙醇代谢工程的研究进展简

L-阿拉伯糖是木质纤维素原料中一种重要的五碳糖组分,但传统的乙醇生产菌株酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）不能利用L 阿拉伯糖。通过代谢途径工程手段,在酿酒酵母中引入L 阿拉伯糖初始代谢途径可以获得能利用L 阿拉伯糖乙醇发酵的重组菌株。并且,通过代谢途径的疏通以及吸收系统的优化可以强化重组菌株代谢L 阿拉伯糖的能力。笔者从以上角度综述了近年来酿酒酵母转化L 阿拉伯糖生产乙醇的研究进展。     

酿酒酵母L-阿拉伯糖转化乙醇代谢工程的研究进展

L-阿拉伯糖是木质纤维素原料中一种重要的五碳糖组分,但传统的乙醇生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)不能利用L-阿拉伯糖。通过代谢途径工程手段,在酿酒酵母中引入L-阿拉伯糖初始代谢途径可以获得能利用L-阿拉伯糖乙醇发酵的重组菌株。并且,通过代谢途径的疏通以及吸收系统的优化可以强化重组菌株代谢L-阿拉伯糖的能力。笔者从以上角度综述了近年来酿酒酵母转化L-阿拉伯糖生产乙醇的研究进展。     

代谢木糖产乙醇的酿酒酵母工程菌研究进展

随着能源价格的持续上涨, 使用木质纤维素生产燃料乙醇已具有重要的实践意义。木糖是多数木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖, 传统乙醇生产菌株酿酒酵母不能利用木糖, 这为使用以木质纤维素为原料发酵生产乙醇带来了困难。多年以来人们试图通过基因工程和细胞融合等方法对其进行改造使其能够代谢木糖生产乙醇。本文主要介绍这方面的研究进展。     

CIT2基因对突变酿酒酵母木糖利用影响的研究

木糖利用困难是秸秆燃料乙醇产业化的制约因素,改造酿酒酵母使其能够代谢木糖生成乙醇是当前研究的热点之一。为了研究CIT2基因对遗传改良酿酒酵母C5D-P-M菌株中葡萄糖与木糖共发酵过程中木糖利用的影响,设计引物并应用重叠PCR技术获得敲除CIT2基因的敲除组件,通过同源重组的方法将C5D-P-M中的CIT2基因敲除得到突变菌株C5D-P-M-CIT2Δ。通过对出发菌株和突变菌株的生长速率、葡萄糖利用率、木糖利用率及乙醇产量进行研究,结果表明突变菌株C5D-P-M-CIT2Δ的上述指标比出发菌株C5D-P-M均有一定程度的提高。因此推测,酿酒酵母中CIT2基因是影响木糖利用的因素之一,CIT2基因的敲除可提高酿酒酵母的木糖利用率。     

代谢木糖产乙醇的酿酒酵母工程菌研究进展

随着能源价格的持续上涨,使用木质纤维素生产燃料乙醇已具有重要的实践意义.木糖是多数木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,传统乙醇生产菌株酿酒酵母不能利用木糖,这为使用以木质纤维素为原料发酵生产乙醇带来了困难.多年以来人们试图通过基因工程和细胞融合等方法对其进行改造使其能够代谢木糖生产乙醇.本文主要介绍这方面的研究进展.     

耐高温酿酒酵母的选育及其在乙醇发酵生产中的应用

酿酒酵母是乙醇发酵工业的生产菌株,增强菌株的耐温性可以减少乙醇生产中降温带来的成本等问题,保证工业发酵能在高温下正常进行。介绍了耐高温酿酒酵母的常用的和新兴的育种技术方法及主要进展,以及在以玉米、甘蔗、木薯及纤维素为原料的乙醇高温发酵生产中的应用,并讨论了耐高温酿酒酵母的选育工作的挑战和乙醇工业应用前景。     

酿酒酵母蔗糖关键代谢途径suc2基因的敲除及其蔗糖代谢特性的变化分析

蔗糖基生物质是热带和亚热带地区重要的生物质材料,因而在微生物发酵和微生物代谢原料中具有重要的地位。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)具有以蔗糖为原料进行代谢的能力,在酿酒酵母的基因组中蔗糖水解酶基因共有6个结构基因。本研究以酿酒酵母INVSC1为出发菌株,首先利用基因敲除技术构建suc2基因缺失菌株,然后将suc2基因回补,从而研究suc2基因对酿酒酵母蔗糖关键代谢途径及蔗糖代谢特性的影响。以蔗糖为碳源的发酵培养基中,在静置条件下发酵,suc2基因缺失菌株失去了利用蔗糖代谢的能力,回补菌株则恢复了对蔗糖的代谢;而且回补菌株对蔗糖的利用率及乙醇产量均比出发菌株有所提高。suc2基因是酿酒酵母蔗糖代谢的关键基因,对蔗糖的代谢具有决定性作用,可以作为蔗糖代谢途径改造的一个关键点。     

燃料乙醇的代谢工程研究进展

乙醇是来自可再生资源的最有发展前景的液态燃料,目前采用生物发酵法生产乙醇仍然是最重要的途径。利用代谢工程技术改造乙醇代谢网络、提高乙醇产量是生物工程科学家的研究重点。从扩展代谢途径和构建新的代谢途径等方面全面阐述了代谢工程技术在燃料乙醇生产中的应用。     

适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母的精准构制

以木质纤维素为原料的二代燃料乙醇工业生产对发酵微生物的基本要求,一是可对木质纤维素组分中的全糖发酵,二是对预处理过程产生的毒性物质具有高耐受性。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是具有优良生产性能的传统乙醇发酵生产菌株,是适合包括二代燃料乙醇等生物基化合物转化的理想底盘细胞。近30年来,利用理性代谢工程改造、非理性适应性进化以及新兴起的合成生物学等策略,对酿酒酵母进行精准构制,极大地提高了其二代燃料乙醇生产的产业化性能。综述了适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母精准构制过程中的己糖和戊糖代谢途径工程、辅酶工程、糖转运蛋白、抗性元件发掘以及产业化推进等方面的研究进展。     

定向进化Rho1提高酿酒酵母的乙醇耐受性和超高浓度乙醇发酵性能

燃料乙醇发酵过程中酿酒酵母细胞活性被高浓度乙醇严重抑制而导致发酵提前终止，生产强度严重降低，因此构建同时具有高耐受性、高发酵性能的菌株一直是发酵工业追求的目标。选取酿酒酵母细胞形态调节关键基因小GTP酶家族成员Rho1,构建易错PCR产物文库，以酿酒酵母S288c为出发菌株采取“富集-自然生长-复筛”的筛选策略，成功筛选得到两株乙醇胁迫耐受性与发酵性能均提高的突变株M2和M5。测序发现突变株过表达的Rho1序列出现了3～5个氨基酸的突变和大片段的缺失突变。以300 g/L起始葡萄糖进行乙醇发酵，72 h时，M2和M5的乙醇滴度比对照菌株分别提高了19.4%和22.3%,超高浓度乙醇发酵能力显著提高。本研究为利用蛋白定向进化方法改良酵母菌复杂表型提供了新的作用靶点。     

酿酒酵母转化木糖生产化学品的研究进展

木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来,通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略,显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此,近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现,酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时,其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比,木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征,如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等,这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述,并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

利用原生质体融合技术构建耐酸絮凝性产乙醇酿酒酵母

为获得具有多种优良性状的高效乙醇生产菌株,以絮凝性酿酒酵母RHZ-1及耐酸耐温酿酒酵母SEB2为亲本,通过紫外诱变获得营养缺陷型标记菌株,并利用原生质体融合技术选育耐酸絮凝性酿酒酵母。通过对融合子的筛选获得一株优秀的耐酸絮凝性酿酒酵母菌株RS-1;该菌株在30℃,pH2.2,15%YPD条件下发酵24 h,乙醇产生量为47.87 g/L,糖消耗速率和基于糖消耗的乙醇收率分别比亲本菌株RHZ-1提高了19.5%和9.8%。在35℃,p H2.2,15%YPD条件下发酵48 h,乙醇产生量为38 g/L,糖消耗速率和乙醇收率分别比亲本菌株RHZ-1提高了46.8%和21.6%。结果表明,获得的菌株可为提高燃料乙醇的生产效率奠定基础。     

酿酒酵母乙醇耐受性的研究进展

生物乙醇作为一种可再生的清洁能源,正在引起人们的广泛关注.酿酒酵母是乙醇生产中最常用的发酵菌株,但是乙醇耐受性往往成为限制酿酒酵母菌乙醇产量的重要因素.选育耐受高浓度乙醇的酵母菌株对于提高乙醇产率具有重要意义.然而传统的菌株改良方法具有育种周期长,突变方向不定等缺点.主要综述了近年来国内外对酿酒酵母菌耐受乙醇的分子生物学机理方面的研究成果,进而总结了提高酿酒酵母乙醇耐受性的基因工程、代谢工程.     

过表达tRNA基因tL(CAA)K提高酿酒酵母乙酸耐受性

乙酸是木质纤维素类生物质水解液中的常见毒性抑制物,选育乙酸耐受性好的酿酒酵母菌株,有利于高效利用木质纤维素类生物质,发酵生产生物燃料和生物基化学品。目前对酿酒酵母抗逆性的研究多集中在转录水平,但对转运RNA (Transfer RNA,tRNA) 在耐受性中的作用研究较少。在对酿酒酵母抗逆性研究过程中发现,一些转运RNA基因在耐受性好的酿酒酵母菌株中转录明显上调。本文深入分析了精氨酸tRNA基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响。结果表明,在4.2 g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时,过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株,乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%,但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低,体现了不同tRNA的不同调控作用。进一步分析发现,过表达tL(CAA)K的重组酵母菌株乙酸耐受性调控相关基因HAA1、MSN2和MSN4等胁迫耐受性相关转录因子编码基因的转录水平上调。本文的研究为选育高效利用木质纤维素资源进行生物炼制的酵母菌株提供了新的改造策略,也为进一步揭示酿酒酵母tRNA基因表达调控对抗逆性的影响提供了基础。     

酿酒酵母在纤维素乙醇生产中对毒性化合物的耐受机理研究进展

利用木质纤维素生产燃料乙醇的过程中,前期预处理所产生的抑制剂会影响酵母的正常生长和后续的发酵过程。为减小抑制剂的影响所采取的一些脱毒策略往往造成糖的损失和生产成本的增加,这在实际生产与经济上是不可行的。因此,具有强的抑制剂耐受性的酿酒酵母菌株对于提高纤维素乙醇产率是十分重要的。近十年来,对于酿酒酵母胁迫耐受机制的研究取得了一些重要的进展,着重介绍目前酿酒酵母对抑制剂耐受机制的研究现状,包括一些关键性基因的表达及代谢通路过程分析等。同时也介绍一些应对抑制剂提高酵母发酵能力的措施。     

酿酒酵母戊糖转运蛋白及C6/C5共代谢菌株的研究进展

充分利用木质纤维素中的糖分是提高以此类生物质为原料生产二代燃料乙醇经济盈利性的基本要求,也是实现其他生物基化学品规模化生产的基础。传统的乙醇生产微生物酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae具有独特的生产性能及内在优势,是备受关注的底盘细胞,但其不能有效地利用戊糖。利用代谢工程、合成生物学策略,对二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母的精准构制持续研究了30余年,已明显改善了其对木糖/葡萄糖的乙醇共发酵能力。近年来关注点集中在早期忽略的限速步骤即糖转运环节的研究上,以期实现不同糖分各行其道、高效专一性转运蛋白各行其责的二代燃料乙醇生产特种酿酒酵母所需的糖转运理想状态。文中主要综述了酿酒酵母戊糖转运蛋白的研究进展,及酿酒酵母的木糖和L-阿拉伯糖代谢工程的研究现状。